煤炭開采對(duì)侯西鐵路影響分析及保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)

劉 明 張 峰

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000)

煤炭開采對(duì)侯西鐵路影響分析及保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)

劉 明 張 峰

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000)

王村煤礦按設(shè)計(jì)的侯西鐵路保護(hù)煤柱開采后地表出現(xiàn)了大量裂縫，導(dǎo)致侯西鐵路局部路段的路基產(chǎn)生下沉開裂，影響了路基的穩(wěn)定及列車的安全運(yùn)行。為確保王村井田內(nèi)侯西鐵路保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)的科學(xué)、合理，對(duì)地表產(chǎn)生裂縫的原因進(jìn)行了分析，主要由于該區(qū)域采深小、基巖薄、第四系黃土層塑性小等特殊地質(zhì)條件，以及13506工作面開采后區(qū)段煤柱垮落，達(dá)到充分采動(dòng)，從而導(dǎo)致地表移動(dòng)變形加劇，地表裂縫比較發(fā)育。并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)鐵路保護(hù)煤柱進(jìn)行了重新劃定。

黃土層 地表裂縫 鐵路下采煤 煤柱設(shè)計(jì)

王村煤礦位于陜西渭北高原，井田為第四系黃土層覆蓋，地形復(fù)雜。侯西鐵路線在近南北方向上縱貫王村煤礦井田，按照其兩側(cè)的煤炭開采情況，分為南段已開采部分(13505工作面以南)和北段規(guī)劃開采部分(13505工作面以北)。南段西側(cè)為王家河村莊保護(hù)煤柱，東側(cè)從南往北依次為13507、13506和13505工作面等工作面，已按原鐵路保護(hù)煤柱開采結(jié)束。在13506工作面開采過程中，侯西鐵路K180+380～K180+580段路基下沉開裂，影響了路基的穩(wěn)定及列車的安全運(yùn)行。為了確保北段規(guī)劃區(qū)煤炭開采不影響鐵路路基的穩(wěn)定，需要對(duì)路基下沉開裂的原因進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果重新劃定鐵路保護(hù)煤柱。

1 侯西鐵路路基地表損壞情況

根據(jù)西安鐵路局關(guān)于侯西線K180+380～K180+580線路路基下沉開裂加固相關(guān)資料，2011年1月5日，該段線路東側(cè)距線路中心3～8 m保護(hù)區(qū)內(nèi)地面出現(xiàn)裂縫，裂縫寬20～30 mm，2011年1月19日和27日地表裂縫寬度增加了7 mm，最寬處裂縫達(dá)37 mm，路肩下沉量為16 mm，累計(jì)下沉31 mm。2011年2月20日，王村煤礦對(duì)該線路段東側(cè)及周邊地表的裂縫進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量，在13505和13506工作面停采線至鐵路線間的地面上，實(shí)測(cè)了1組走向?yàn)槟媳狈较虻牧芽p，該組裂縫與工作面推進(jìn)方向夾角約18°，規(guī)律性裂縫共計(jì)6條，從工作面停采線至鐵路線方向上裂縫寬度逐漸減小，見圖1。

2 侯西鐵路路基地表損壞原因分析

圖1 實(shí)測(cè)地表裂縫分布與工作面位置關(guān)系

為了保護(hù)鐵路安全，王村煤礦按照相關(guān)設(shè)計(jì)在鐵路兩側(cè)留設(shè)了一定寬度的保護(hù)煤柱， 在鐵路兩側(cè)的煤炭開采過程中均嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)在留設(shè)的保護(hù)煤柱線外進(jìn)行開采，且多年的開采均未對(duì)鐵路線產(chǎn)生影響。

根據(jù)實(shí)測(cè)的地表裂縫位置及出現(xiàn)時(shí)間分析，地表裂縫發(fā)生時(shí)間為2011年1月，與王村煤礦13506工作面在該區(qū)域的開采時(shí)間相吻合，且裂縫方向與13506工作面推進(jìn)方向基本一致。因此推斷該區(qū)域的地表裂縫是由于王村煤礦13506工作面開采引起。對(duì)于侯西線K180+380～K180+580段出現(xiàn)的損壞，分析其成因主要有以下幾個(gè)方面。

(1)地層結(jié)構(gòu)及巖性影響。首先，該區(qū)域第四系厚度187 m，基巖厚72 m，第四系厚度占地層總厚度的72.2%，第四系厚度大、基巖薄，覆巖巖性以中砂巖和粉砂巖為主，夾薄層泥巖，覆巖巖性為中等偏硬。在該地層條件下，致使其開采影響半徑增大。其次，地表裂縫一般出現(xiàn)在地表移動(dòng)盆地的外邊緣，地表裂縫的發(fā)生和第四系的厚度、性質(zhì)和變形大小均密切相關(guān)；塑性大的黏性土，一般地表拉伸變形值超過6～10 mm/m時(shí)，才產(chǎn)生裂縫；塑性小的砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)砂等地表拉伸變形達(dá)到2～3 mm/m時(shí)，地表即可產(chǎn)生裂縫[1]。該區(qū)域地表為巨厚黃土層，黃土的塑性較弱，塑性指數(shù)一般在10左右，再加上干旱等原因，致使表層黃土塑性降低，因此當(dāng)出現(xiàn)微小的拉伸變形時(shí)，地表便產(chǎn)生裂縫，使裂縫的范圍擴(kuò)大到了鐵路邊緣。

(2)13506工作面采動(dòng)影響。根據(jù)威爾遜煤柱核區(qū)理論，當(dāng)煤柱寬度滿足下述公式時(shí)，煤柱能夠穩(wěn)定支撐上覆巖層，即

a>0.01MH+s，

式中，M為采厚；H為采深；s為核區(qū)寬度，根據(jù)實(shí)測(cè)資料可取s=8.4m。根據(jù)計(jì)算當(dāng)該區(qū)域保留煤柱寬度超過15m時(shí)，煤柱一般不會(huì)垮塌。一般充分開采的采空區(qū)寬度為1.2～1.4H，即工作面采空區(qū)長度超過310.8～362.6 m，王村煤礦在開采過程中，一般相鄰的工作面間區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為20 m左右，單個(gè)工作面寬度一般在100～130 m，其單個(gè)工作面開采為有限開采(非充分開采)，相鄰多個(gè)工作面開采后，由于保留的區(qū)段煤柱影響致使其開采始終處于有限開采狀態(tài)，而有限開采地表的移動(dòng)變形值比充分開采小。由于13506工作面與13507工作面間煤柱寬度較窄，僅為9.8 m，在13506開采過程中，該區(qū)段煤柱垮落，其相鄰的13507工作面的采空區(qū)活化，該區(qū)域達(dá)到近充分采動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致該區(qū)域地表移動(dòng)變形相對(duì)臨近區(qū)域的地表變形范圍及強(qiáng)度增加。

(3)地表移動(dòng)變形分析。一般的鐵路煤柱是以地表移動(dòng)盆地外邊界傾斜值3.0 mm/m，曲率值 0.2×10-3/m，水平變形2.0 mm/m來留設(shè)的，但對(duì)于黃土覆蓋地區(qū)，由于黃土的塑性弱，當(dāng)?shù)乇硎艿轿⑿〉睦熳冃螘r(shí)，即可產(chǎn)生裂縫。根據(jù)該區(qū)域取得的實(shí)測(cè)巖移參數(shù)[2，4]，采用概率積分法對(duì)13506工作面開采前13505、13504和13507工作面開采影響和13506開采后分別進(jìn)行地表變形預(yù)計(jì)見圖2、圖3。根據(jù)預(yù)計(jì)，13506開采后侯西鐵路地表拉伸變形增大的路段與實(shí)測(cè)地表裂縫特征一致。因此，可以斷定該路段的地表裂縫是由13506工作面開采引起的。

圖2 13506工作面開采前地表水平拉伸變形示意

圖3 13506工作面開采前地表水平拉伸變形示意

綜上分析，侯西鐵路K180+380～K180+580段地表局部出現(xiàn)下沉和開裂，主要是由于隱伏構(gòu)造的影響，且該區(qū)域采深小、基巖薄等特殊地層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致王村礦13506工作面開采過程中地表移動(dòng)變形加劇，地表裂縫比較發(fā)育。

3 鐵路保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)

為了確保劃定的鐵路保護(hù)煤柱能夠有效地保護(hù)侯西鐵路的安全運(yùn)行，本次提出了2個(gè)設(shè)計(jì)方案：垂直剖面法留設(shè)保護(hù)煤柱方案和概率積分法留設(shè)保護(hù)煤柱方案。

(1)垂直剖面法保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)。①確定保護(hù)區(qū)域：路堤坡腳外1 m、路塹坡頂、橋涵外邊緣，為保護(hù)邊界，按I級(jí)鐵路保護(hù)等級(jí)，沿保護(hù)對(duì)象邊界向外擴(kuò)20 m為維護(hù)帶[2-3]；②移動(dòng)角、邊界角確定：依據(jù)本區(qū)域的地表移動(dòng)觀測(cè)資料和王村煤礦13506工作面地表移動(dòng)特征，選定第四系沖積層移動(dòng)角取42°，基巖巖層移動(dòng)角取70°，基巖巖層邊界角取61°。

(2)概率積分法保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)。采用概率積分法預(yù)計(jì)王村煤礦在侯西鐵路線兩側(cè)進(jìn)行煤炭開采過程中對(duì)鐵路線的影響，逐步調(diào)整鐵路線兩側(cè)工作面的開采邊界，直至滿足鐵路線路的安全要求，調(diào)整后各工作面在鐵路方向的開采邊界線即為侯西鐵路的保護(hù)煤柱線。鐵路的影響邊界按照下沉值10 mm的邊界線確定，地表下沉大于10 mm區(qū)域?yàn)槭苊簩娱_采影響區(qū)，小于10 mm區(qū)域?yàn)椴皇荛_采影響區(qū)。

綜合分析以上垂直剖面法劃定和概率積分法計(jì)算2種方法的計(jì)算結(jié)果，按最大限度保護(hù)鐵路安全的原則，以2種方法確定的最外保護(hù)煤柱線作為最終的侯西鐵路保護(hù)煤柱范圍，見圖4。

4 結(jié) 語

王村煤礦井田內(nèi)侯西鐵路地表局部出現(xiàn)下沉和開裂，主要是由于該區(qū)域采深小、基巖薄、第四系黃土層塑性小等特殊地質(zhì)條件，以及工作面開采后區(qū)段煤柱垮落，使開采達(dá)到充分采動(dòng)，從而導(dǎo)致王村煤礦13506工作面開采過程中地表移動(dòng)變形加劇，地表裂縫比較發(fā)育。本研究采用垂直剖面法和概率積分法，重新對(duì)鐵路保護(hù)煤柱進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并以最外保護(hù)煤柱線作為侯西鐵路保護(hù)煤柱范圍，以確保劃定的鐵路保護(hù)煤柱能夠有效地保護(hù)侯西鐵路的安全運(yùn)行。

圖4 侯西鐵路保護(hù)煤柱綜合劃定圖

[1] 何國清,楊 倫.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1989:104-127. He Guoqing，Yang Lun.Mining Subsidence[M].Xuzhou:China University of Mining & Technology Press，1989:104-127.

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(責(zé)任編輯 石海林)

Influence Analysis of Coal Mining to Houxi Railway and Design of Protective Coal Pillar

Liu Ming Zhang Feng

(TangshanResearchInstitute,ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup，Tangshan063000，China)

A large number of cracks appear after the coal resources are mined out according to the design of protective coal pillar under Houxi railway in Wangcun coal mine，leading to subsidence and crack in local sections of Houxi railway roadbed.This affects the stability of roadbed and the stable operation of the train.In order to make sure the design of protective coal pillar under railway more scientific and reasonable，the reasons for cracks are analyzed.Due to the special geological conditions，including the small depth，thin bedrock，less plastic of Quaternary loess layer，and the failure of coal pillars resulted from the mining of 13506 working face to reach full-scale mining，the surface movement and deformation increased，and surface cracks are well developed.According to the analysis，the proactive coal pillar will be re-planned.

Loess layer，Surface crack，Coal mining under railway，Coal pillar design

2015-02-04

劉 明(1981—)，男，助理研究員。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-018-03